Рибосомы в митохондриях пекарских дрожжей неоднородны по белковому составу

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рибосомы - это макромолекулярные машины конвейерного типа, обеспечивающие процесс биосинтеза белка на матричной РНК. Их обычно рассматривают как однородные структуры с постоянным молекулярным составом, не обладающие регуляторной функцией. Однако их способность взаимодействовать со множеством белков, участвующих в трансляции, допускает существование специализированных рибосом, предназначенных для биосинтеза определённых белков. К примеру, в митохондриях дрожжей, чей геном кодирует всего восемь полипептидов, белок-специфическая трансляция реализована при помощи трансляционных активаторов - группы белков, каждый из которых регулирует трансляцию отдельной мРНК, не являясь при этом рибосомным белком. Несмотря на это, вопрос существования "мРНК-специфических" рибосом различного белкового состава остаётся неизученным. В данной работе представлен исследовательский подход к поиску различных популяций рибосом в митохондриях дрожжей. К митохондриальным рибосомным белкам были добавлены аффинные тэги, после чего был проанализирован белковый и РНК-состав рибосом, очищенных методом коиммунопреципитации. Показано, что митохондриальные рибосомы, выделенные из штаммов дрожжей с аффинными тэгами на разных рибосомных белках, различаются по набору белковых компонентов. Детектированные различия являются скорее количественными, чем качественными: в каждом образце был выявлен почти полный набор митохондриальных рибосомных белков, но в разном количественном содержании (от 10 до менее чем 0,05 молекул на рибосому). Кроме того, исследован потенциал трансляционных активаторов как "крючка для ловли" рибосом, транслирующих определённые мРНК в митохондриях дрожжей.

Об авторах

Р. А. Ханнанов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет

Автор, ответственный за переписку.
Email: i.v.chicherin@gmail.com
Москва

И. В. Чичерин

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет

Email: i.v.chicherin@gmail.com
Москва

М. В. Балева

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет

Email: i.v.chicherin@gmail.com
Москва

С. А. Левицкий

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет

Email: i.v.chicherin@gmail.com
Москва

Р. А. Васильев

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет

Email: i.v.chicherin@gmail.com
Москва

У. Е. Пиунова

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет

Email: i.v.chicherin@gmail.com
Москва

П. А. Каменский

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет

Email: i.v.chicherin@gmail.com
Москва

Список литературы

  1. Sharma, M. R., Koc, E. C., Datta, P. P., Booth, T. M., Spremulli, L. L., and Agrawal, R. K. (2003) Structure of the mammalian mitochon-drial ribosome reveals an expanded functional role for its component proteins, Cell, 115, 97-108, https://doi.org/10.1016/s0092-8674(03)00762-1.
  2. Levitskii, S. A., Baleva, M. V., Chicherin, I. V., Krasheninnikov, I. A., and Kamenski, P. A. (2020) Protein biosynthesis in mitochondria: past simple, present perfect, future indefinite, Biochemistry (Moscow), 85, 257-263, https://doi.org/10.1134/S0006297920030013.
  3. Greber, B. J., and Ban, N. (2016) Structure and function of the mitochondrial ribosome, Annu. Rev. Biochem., 85, 103-132, https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-060815-014343.
  4. Amunts, A., Brown, A., Bai, X. C., Llácer, J. L., Hussain, T., Emsley, P., Long, F., Murshudov, G., Scheres, S. H. W., and Ramakrishnan, V. (2014) Structure of the yeast mitochondrial large ribosomal subunit, Science, 343, 1485-1489, https://doi.org/10.1126/science.1249410.
  5. Itoh, Y., Andréll, J., Choi, A., Richter, U., Maiti, P., Best, R. B., Barrientos, A., Battersby, B. J., and Amunts, A. (2021) Mechanism of membrane-tethered mitochondrial protein synthesis, Science, 371, 846-849, https://doi.org/10.1126/science.abe0763.
  6. Kummer, E., Leibundgut, M., Rackham, O., Lee, R. G., Boehringer, D., Filipovska, A., and Ban, N. (2018) Unique features of mammalian mitochondrial translation initiation revealed by cryo-EM, Nature, 560, 263-267, https://doi.org/10.1038/s41586-018-0373-y.
  7. Desai, N., Yang, H., Chandrasekaran, V., Kazi, R., Minczuk, M., and Ramakrishnan, V. (2020) Elongational stalling activates mitoribo-some-associated quality control, Science, 370, 1105-1110, https://doi.org/10.1126/science.abc7782.
  8. Kummer, E., Schubert, K. N., Schoenhut, T., Scaiola, A., and Ban, N. (2021) Structural basis of translation termination, rescue, and recy-cling in mammalian mitochondria, Mol. Cell, 81, 2566-2582.e6, https://doi.org/10.1016/ j.molcel.2021.03.042.
  9. Rebelo-Guiomar, P., Pellegrino, S., Dent, K. C., Sas-Chen, A., Miller-Fleming, L., Garone, C., Van Haute, L., Rogan, J. F., Dinan, A., Firth, A. E., Andrews, B., Whitworth, A. J., Schwartz, S., Warren, A. J., and Minczuk, M. (2022) A late-stage assembly checkpoint of the human mitochondrial ribosome large subunit, Nat. Commun., 13, 929, https://doi.org/10.1038/s41467-022-28503-5.
  10. Itoh, Y., Khawaja, A., Laptev, I., Cipullo, M., Atanassov, I., Sergiev, P., Rorbach, J., and Amunts, A. (2022) Mechanism of mitoribosomal small subunit biogenesis and preinitiation, Nature, 606, 603-608, https://doi.org/10.1038/s41586-022-04795-x.
  11. Ferretti, M. B., and Karbstein, K. (2019) Does functional specialization of ribosomes really exist? RNA, 25, 521-538, https://doi.org/10.1261/rna.069823.118.
  12. Palade, G. E. (1955) A small particulate component of the cytoplasm, J. Biophys. Biochem. Cytol., 1, 59-68, https://doi.org/10.1083/jcb.1.1.59.
  13. Crick, F. H. (1958) On protein synthesis, Symp. Soc. Exp. Biol., 12, 138-163.
  14. Brenner, S., Jacob, F., and Meselson, M. (1961) An unstable intermediate carrying information from genes to ribosomes for protein syn-thesis, Nature, 190, 576-581, https://doi.org/10.1038/190576a0.
  15. Genuth, N. R., and Barna, M. (2018) The discovery of ribosome heterogeneity and its implications for gene regulation and organismal life, Mol. Cell, 71, 364-374, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2018.07.018.
  16. Tomal, A., Kwasniak-Owczarek, M., and Janska, H. (2019) An update on mitochondrial ribosome biology: the plant mitoribosome in the spotlight, Cells, 8, 1562, https://doi.org/10.3390/cells8121562.
  17. Shi, Z., Fujii, K., Kovary, K. M., Genuth, N. R., Röst, H. L., Teruel, M. N., and Barna, M. (2017) Heterogeneous ribosomes preferentially translate distinct subpools of mRNAs genome-wide, Mol. Cell, 67, 71-83.e7, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2017.05.021.
  18. Gao, Y., and Wang, H. (2024) Ribosome heterogeneity in development and disease, Front. Cell Dev. Biol., 12, 1414269, https://doi.org/10.3389/fcell.2024.1414269.
  19. Genuth, N. R., Shi, Z., Kunimoto, K., Hung, V., Xu, A. F., Kerr, C. H., Tiu, G. C., Oses-Prieto, J. A., Salomon-­Shulman, R. E. A., Axel-rod, J. D., Burlingame, A. L., Loh, K. M., and Barna, M. (2022) A stem cell roadmap of ribosome heterogeneity reveals a function for RPL10A in mesoderm production, Nat. Commun., 13, 5491, https://doi.org/10.1038/s41467-022-33263-3.
  20. Milenkovic, I., Santos Vieira, H. G., Lucas, M. C., Ruiz-Orera, J., Patone, G., Kesteven, S., Wu, J., Feneley, M., Espadas, G., Sabidó, E., Hübner, N., van Heesch, S., Völkers, M., and Novoa, E. M. (2023) Dynamic interplay between RPL3- and RPL3L-containing ribosomes modulates mitochondrial activity in the mammalian heart, Nucleic Acids Res., 51, 5301-5324, https://doi.org/10.1093/nar/gkad121.
  21. Simsek, D., Tiu, G. C., Flynn, R. A., Byeon, G. W., Leppek, K., Xu, A. F., Chang, H. Y., Barna, M. (2017) The mammalian ri-bo-interactome reveals ribosome functional diversity and heterogeneity, Cell, 169, 1051-1065.e18, https://doi.org/10.1016/j.cell.2017.05.022.
  22. David, F., Roussel, E., Froment, C., Draia-Nicolau, T., Pujol, F., Burlet-Schiltz, O., Henras, A. K., Lacazette, E., Morfoisse, F., Tatin, F., Diaz, J. J., Catez, F., Garmy-Susini, B., and Prats, A.-C. (2024) Mitochondrial ribosomal protein MRPS15 is a component of cytosolic ribosomes and regulates translation in stressed cardiomyocytes, Int. J. Mol. Sci., 25, 3250, https://doi.org/10.3390/ijms25063250.
  23. Zhang, X., Gao, X., Coots, R. A., Conn, C. S., Liu, B., and Qian, S.-B. (2015) Translational control of the cytosolic stress response by mitochondrial ribosomal protein L18, Nat. Struct. Mol. Biol., 22, 404-410, https://doi.org/10.1038/nsmb.3010.
  24. Zeng, R., Smith, E., and Barrientos, A. (2018) Yeast mitoribosome large subunit assembly proceeds by hierarchical incorporation of pro-tein clusters and modules on the inner membrane, Cell Metab., 27, 645-656.e7, https://doi.org/10.1016/j.cmet.2018.01.012.
  25. Del’Olio, S., and Barrientos, A. (2023) Systematic analysis of assembly intermediates in yeast to decipher the mitoribosome assembly pathway, Methods Mol. Biol., 2661, 163-191, https://doi.org/10.1007/978-1- 0716-3171-3_11.
  26. Mays, J.-N., Camacho-Villasana, Y., Garcia-Villegas, R., Perez-Martinez, X., Barrientos, A., and Fontanesi, F. (2019) The mitoribo-some-specific protein mS38 is preferentially required for synthesis of cytochrome c oxidase subunits, Nucleic Acids Res., 47, 5746-5760, https://doi.org/10.1093/nar/gkz266.
  27. Segev, N., and Gerst, J. E. (2018) Specialized ribosomes and specific ribosomal protein paralogs control translation of mitochondrial pro-teins, J. Cell Biol., 217, 117-126, https://doi.org/10.1083/jcb.201706059.
  28. Desai, N., Brown, A., Amunts, A., and Ramakrishnan, V. (2017) The structure of the yeast mitochondrial ribosome, Science, 355, 528-531, https://doi.org/10.1126/science.aal2415.
  29. Antonicka, H., and Shoubridge, E. A. (2015) Mitochondrial RNA granules are centers for posttranscriptional RNA processing and ribo-some biogenesis, Cell Rep., 10, 920-932, https://doi.org/10.1016/j.celrep.2015.01.030.
  30. Herrmann, J. M., Woellhaf, M. W., and Bonnefoy, N. (2013) Control of protein synthesis in yeast mitochondria: the concept of transla-tional activators, Biochim. Biophys. Acta, 1833, 286-294, https://doi.org/10.1016/ j.bbamcr.2012.03.007.
  31. Mulero, J. J., and Fox, T. D. (1993) PET111 acts in the 5’-leader of the Saccharomyces cerevisiae mitochondrial COX2 mRNA to promote its translation, Genetics, 133, 509-516, https://doi.org/10.1093/genetics/133.3.509.
  32. Malina, C., Larsson, C., and Nielsen, J. (2018) Yeast mitochondria: an overview of mitochondrial biology and the potential of mitochon-drial systems biology, FEMS Yeast Res., 18, https://doi.org/10.1093/femsyr/foy040.
  33. Kuzmenko, A., Derbikova, K., Salvatori, R., Tankov, S., Atkinson, G. C., Tenson, T., Ott, M., Kamenski, P., and Hauryliuk, V. (2016) Aim-less translation: loss of Saccharomyces cerevisiae mitochondrial translation initiation factor mIF3/Aim23 leads to unbalanced protein synthesis, Sci. Rep., 6, 18749, https://doi.org/10.1038/srep18749.
  34. Knop, M., Siegers, K., Pereira, G., Zachariae, W., Winsor, B., Nasmyth, K., and Schiebel, E. (1999) Epitope tagging of yeast genes using a PCR-based strategy: more tags and improved practical routines, Yeast, 15, 963-972, https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-0061(199907)15:10B<963::AID-YEA399>3.0.CO;2-W.
  35. Gietz, R. D., and Schiestl, R. H. (2007) High-efficiency yeast transformation using the LiAc/SS carrier DNA/PEG method, Nat. Protoc., 2, 31-34, https://doi.org/10.1038/nprot.2007.13.
  36. Baleva, M. V., Chicherin, I., Piunova, U., Zgoda, V., Patrushev, M. V., Levitskii, S., and Kamenski, P. (2022) Pentatricopeptide protein PTCD2 regulates COIII translation in mitochondria of the HeLa cell line, Int. J. Mol. Sci., 23, 14241, https://doi.org/10.3390/ijms232214241.
  37. Cox, J., and Mann, M. (2008) MaxQuant enables high peptide identification rates, individualized p.p.b.-range mass accuracies and prote-ome-wide protein quantification, Nat. Biotechnol., 26, 1367-1372, https://doi.org/10.1038/nbt.1511.
  38. Cox, J., Neuhauser, N., Michalski, A., Scheltema, R. A., Olsen, J. V., and Mann, M. (2011) Andromeda: a peptide search engine integrated into the MaxQuant environment, J. Proteome Res., 10, 1794-1805, https://doi.org/10.1021/pr101065j.
  39. Klein, M., Swinnen, S., Thevelein, J. M., and Nevoigt, E. (2017) Glycerol metabolism and transport in yeast and fungi: established knowledge and ambiguities, Environ. Microbiol., 19, 878-893, https://doi.org/10.1111/ 1462-2920.13617.
  40. Rath, S., Sharma, R., Gupta, R., Ast, T., Chan, C., Durham, T. J., Goodman, R. P., Grabarek, Z., Haas, M. E., Hung, W. H. W., Joshi, P. R., Jourdain, A. A., Kim, S. H., Kotrys, A. V., Lam, S. S., McCoy, J. G., Meisel, J. D., Miranda, M., Panda, A., Patgiri, A., Rogers, R., Sadre, S., Shah, H., Skinner, O. S., To, T. L., Walker, M. A., Wang, H., Ward, P. S., Wengrod, J., Yuan, C. C., Calvo, S. E., and Mootha, V. K. (2021) MitoCarta3.0: an updated mitochondrial proteome now with sub-organelle localization and pathway annotations, Nucleic Acids Res., 49, D1541-D1547, https://doi.org/10.1093/nar/gkaa1011.
  41. Ghaemmaghami, S., Huh, W. K., Bower, K., Howson, R. W., Belle, A., Dephoure, N., O’Shea, E. K., and Weissman, J. S. (2003) Global analysis of protein expression in yeast, Nature, 425, 737-741, https://doi.org/10.1038/nature02046.
  42. Lavdovskaia, E., Hanitsch, E., Linden, A., Pašen, M., Challa, V., Horokhovskyi, Y., Roetschke, H. P., Nadler, F., Welp, L., Steube, E., Heinrichs, M., Mai, M. M., Urlaub, H., Liepe, J., and Richter-Dennerlein, R. (2024) A roadmap for ribosome assembly in human mito-chondria, Nat. Struct. Mol. Biol., 31, 1898-1908, https://doi.org/10.1038/s41594-024-01356-w.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».